Müjdat ŞAHAN

ÖZET

Doğrudan kullanımlı jeotermal sistemlerde, kurulan tesisin çalışması ve başarılı olması, birçok ekipman ve donanım kullanılması ile mümkündür. Bu ekipman ve donanımlar,

• Kuyu pompaları ( well pumps ) , • Boru donanımı ve tesisatı ( piping ) ,

• Yerel ısıtma elemanları ( space heating equipment ) ,

• Isı emme özelliğine sahip soğutma elemanları ( absorbtion refrigeration equipment ) ,

• Isı değiştirgeçleri ( heat exchangers ) olup, bu bildiride yalnızca ısı değiştirgeçleri incelenecektir.

Diğer tüm elemanlar için de geçerli olmak kaydı ile, jeotermal uygulamalarda kullanılacak ısı değiştirgeçlerinin seçimindeki en büyük faktör, kaynak suyunun kimyasal yapısı ve sıcaklığıdır. Bunun yanında ısı değiştirgeçleri, sahip oldukları fiziksel yapıları ile de tercih edilebilir veya edilmezler. Jeotermal uygulamalarda en yaygın olarak tercih edilen ısı değiştirgeçleri, sahip oldukları kompakt yapı ve temizlenebilir özellikleri sebebi ile, contalı – plakalı tiplerdir. İkinci sırada tercih edilen eşanjör tip’i ise, benzer özellikleri sebebi ile, gövde-boru ve gövde-plaka tipi eşanjörlerdir. Bu bildiride, benzer projelerde en yaygın kullanıma sahip olmaları sebebi ile, contalı-plakalı eşanjörler incelenecektir. Contalı plakalı ısı değiştirgeçlerinin, jeotermal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmalarını sağlayan özellikleri şunlardır ;

• Yüksek ısıl performans gösterirler ,

• Üretim teknikleri açısından, korozyona dayanıklı malzemeler ile üretilebilirler , • Montaj ve yerleşimleri kolayca yapılabilir , özel bilgi ve teknik eleman gerektirmezler , • Değişen kapasitelere göre aynı gövde içinde ve gerektiği kadar büyütülebilirler , • Kapasitelerine göre en az yeri işgal ederek avantaj sağlarlar.

GİRİŞ

Plakalı ısı değiştirgeçleri, contalı ( çerçeveli ) ve lehimli olmak üzere iki tiptir. Lehimli plakalı ısı değiştirgeçlerinin, özellikle lehim dikişleri korozyona karşı hassas olup, jeotermal uygulamalarda fazla tercih edilmezler ve çok sık kullanılmazlar. Bu bildiride plakalı ısı değiştirgeci olarak anılacak ve incelenecek ısı değiştirgeçleri, contalı-plakalı yada çerçeve-plaka olarak anılan ısı değiştirgeçleridir. Plakalı ısı değiştirgeçleri, şekil 1 ve 2 de de görüldüğü gibi; Contalanmış plaka demeti, destek-baskı çerçevesi, kılavuz ve sıkıştırma milleri, akışkan bağlantı ağızları ve ayaklar olmak üzere 5 temel parçadan oluşurlar.

Lehimli Contalı

En önemli ve işlevsel parçanın contalanmış plakalar olduğu ortadadır. Diğer parçalar, işlevi gerçekleştirecek plaka demetinin bir arada tutulmasını, sızdırmazlık tesisini ve ısı değiştirgecinin tesisata bağlanmasını sağlarlar. Plakalı ısı değiştirgeçleri, contalanmış plakalar demetinin, alt ve üst taşıyıcı miller üzerinde merkezlenip, iki güçlü metal blok (ön ve arka çerçeve) arasında sıkıştırılıp sabitlenmesi ile elde edilirler.

Şekil 1. Şekil 2.

Genel özellikleri :

Contalı plakalı ısı değiştirgeçleri gövde boru tipi ısı değiştirgeçleri ile karşılaştırıldıklarında, contalı plakalı ısı değiştirgeçlerinin nispeten daha düşük çalışma sıcaklığı ve basıncına sahip oldukları görülür. Birçok üretici firmanın standart ürünleri için tercih ettiği üst çalışma limitleri, 200 °C sıcaklık ve 20 bar çalışma basıncıdır. Bu sınır, yaygın kullanılan plaka ve conta malzemelerinin sorunsuz çalışma dayanımı açısından özellikle tanımlanmıştır. Plaka, conta çeşitleri, üretildikleri malzemeler, dayanım - çalışma sınırları ve kullanıldıkları yerler bildiri devamında detaylı incelenecektir.

Değişik imalatçıların çok farklı ölçülerde ve yüzey şekillerinde ürettikleri plakaların her biri, genellikle 0.01 ile 2.50 m² arasında bir ısı transfer yüzeyine sahiptirler. Bu yoğun yapıları sayesinde, tek gövde altında 2.000 m² ısı transfer yüzeyi elde edilmesi mümkün olur. Küçük boyutlu ve az ısı transfer yüzeyine sahip plakalar ile üretilen ısı değiştirgeçleri ise, düşük su debileri ve kapasiteleri ile, bağımsız ev tipi veya küçük boyutlu ticari uygulamalar için mükemmel çözümler üretilmesini sağlarlar. Keza, büyük boyutlu ve ısı transfer yüzeyli ısı değiştirgeçleri ile merkezi uygulamalar için mükemmel çözümler bulunması mümkündür.

Contalı plakalı tek gövdeli bir ısı değiştirgeci içinden, sahip olduğu boyut ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak, 1m³/h ile 1500 m³/h arasında su dolaştırılması mümkündür. Bu akışkan debilerini taşıyacak bağlantı çapları ½ inç ile 15 inç arasında değişmektedir.

Plakalar ve yüzeyleri

Kalıpla şekillendirme tekniği ile üretilen plakaların üzerinde, değişik boyut ve şekilde kanallar oluşturulur. Akışkanların dolaşmasını sağlayan bu kanallar, aynı zamanda, ısı transfer yüzeylerinin de oluşmasını sağlarlar. Plakanın ve kanalların boyutu, şekli, sıklığı ve derinliği, hem plakanın sahip olduğu ısı transfer yüzeyi, hem de ısıl verimliliği üzerinde önemli bir etki oluşturur. Plakaların her iki yüzeyinde oluşturulan kanallar, contaların yönlendirmesi sayesinde, birinci ve ikinci devre akışkanların dolaşma devrelerini oluştururlar. Plaka yüzeyleri Şekil 3’te görüldüğü gibi çok değişik şekillerde olabilir. Ancak plakalar, yüzey şekilleri ve boyutları ne olursa olsun şu temel unsurları mutlaka taşırlar;

• Askı mili merkezleme delikleri, • Plaka askısı,

• A yüzü contası, • B yüzü contası,

• Plaka yüzeyi su kanalları, • Akışkan giriş – çıkış ağızları,

• Akışkan yönlendirme kanalları, akış düzenleyicileri.

Şekil 3. Contalar

Plaka yüzeylerinde dolaşan akışkanların birbirine karışmamasını ve ısı transferinin gerçekleşmesini sağlayan, plakadan sonraki en önemli unsurdur. Tabloda görüldüğü gibi, çalışma sıcaklığı ve akışkan kimyasal yapısına bağlı olarak değişik hammaddelerden üretilebilirler. En yaygın kullanılan conta malzemeleri için önerilen çalışma basıncı, sıcaklığı ve ortalama çalışma ömürleri 1 ve 2 numaralı grafiklerde gösterilmiştir. Grafik 2’de gösterilen conta çalışma ömrü 3 bar çalışma basıncı için verilmektedir.

Hammadde Yaygın kullanılan adı Çalışma üst sınırı

Styrene – Butadiene Buna – S 85 °C

Neoprene Neoprene NBR 120 °C

Acrylonitrile – Butadiene Buna – N 135 °C

Ethylene / Propylene EPDM prx 150 °C

Fluorocarbon Viton 200 °C

Resin – Cured butyl Resin – Cured butyl 200 °C Compressed asbestos Compressed asbestos 260 °C

Grafiklerin incelenmesinden de anlaşılacağı gibi, pratik uygulamalarda en yaygın kullanılan conta malzemeleri; NBR , EPDM ve VITON dur. Jeotermal uygulamalarda en iyi sonuç VITON ile alınmakta olup, çalışma sıcaklık aralığı – 20 °C ~ 200 °C dir. İkinci uygun malzeme ise biraz daha pahalı olmakla birlikte EPDM dir. Hypalon, teflon – encapsuleted , PTFE ve birçok değişik hammaddeler

ile de üretilen contaların fonksiyonu yandaki fotoğrafta görülmektedir. Plaka yüzeyini yalayıp gelen sıcak akışkan (kırmızı), plakanın arka yüzeyinden gelen soğuk (mavi) akışkanla karışmadan, yönlendikleri giriş çıkış ağızlarından geçerek plakayı terk etmektedirler. Contalar genellikle, conta kanallarına boşluksuz yerleşecek şekilde imal edilir ve kullanılırlar. Bununla beraber yapıştırılarak kullanılmaları da mümkündür.

Grafik 1 Grafik 2

Çerçeveler

Büyük çoğunlukta karbon çeliğinden üretilirler. Epoxy veya benzeri boyama ve kaplama teknikleri ile paslanmaya karşı korunurlar. AISI 304 ve AISI 316 malzeme ile üretilmeleri veya AISI kaplanmaları da mümkündür. Jeotermal uygulamalarda genellikle AISI 316 malzeme tercih edilir.

Ön ve arkada birer adet bulunan çerçeveler üç temel fonksiyona sahiptir. Bunlar ; Plaka demetinin bir arada tutulması, plakalar arasında sızdırmazlığın sağlanması (gerdirme saplamaları yardımı ile) ve tesisata bağlama ağızlarının taşınmasıdır.

Bağlantılar

Flanşlı Cıvatalı Pasolu Superlock Kelepçeli

Karbon çeliği üzeri galvaniz kaplama, AISI , moblen, kauçuk gibi malzemelerden değişik bağlantı tekniklerine göre üretilirler. Bağlantı ağızları da çerçeve plakasına genellikle kaynak teknikleri ve pasolama ile birleştirilir.